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Biologia Celular y Molecular La Biologia Celular estudia la célula desde una perspectiva integradora considerando aspectos morfológicos, bioquímicos, genéticos y funcionales Las investigaciones sobre la célula están ligadas a la invención y desarrollo de los microscopios a partir del Siglo XVI (Robert Hooke Antony Van Leeuwenhoek 1 AVANCES EN EL ESTUDIO DE LA CELULA 2 AVANCES EN EL ESTUDIO DE LA CELULA 3 AVANCES EN EL ESTUDIO DE LA CELULA 4 Siglo XVII Van Leeuwenhoek 5 Robert Hooke :Siglo XVII Existencia de las Células 6 Micrographia 1665 Robert Hooke Es la primera publicación importante de la Royal Society, 7 LA CÉLULA • Desde una perspectiva bioquímica la célula posee características distintivas que las separan de los demás sistemas químicos. • Capacidad para duplicarse • Presencia de enzimas (proteínas) • Una membrana que la separa del medio ambiente Diferentes tipos de células 9 Algunas muy complejas y con capacidadde realizar todas las funciones inherentes a la vida: 10 Hasta otras muy especializadas 11 El cuerpo humano tiene algo mas de 37 Trillones de células de 200 tipos diferentes Tamaño de las Células El tamaño es variable desde algunas macroscópicas hasta otras microscópicas BACTERIA 13 Medidas y Forma de las células Son Pequeñas, La mayoría mide entre 1-100µm e diámetro Relación superficie-volumen Multicelularidad Forma Variable relacionada con_ Adaptación al medio Acción mecánica de células adyacentes Rigidez de la membrana celular Tensión superficial Viscosidad del citoplasma 14 Formas de Estudio de las Células 15 Formas de Estudio de las Células Microscopio Optico con luz trasmitida 16 Formas de Estudio de las Células Microscopio Contraste Interferencial DIC 17 Formas de Estudio de las Células Microscopio Confocal 18 Formas de Estudio de las Células Microscopio de Luz Polarizada 19 Formas de Estudio de las Células Microscopio Contraste de Fase 20 Formas de Estudio de las Células Microscopio Electrónico TEM 21 Formas de Estudio de las Células Microscopio Contraste de Fase 22 LA CELULA • Son las unidades constitutivas y funcionales de los Organismos Vivos • La célula es la unidad funcional de todo ser vivo • La TEORIA CELULAR es uno de los fundamentos de la Biología moderna Postulados de la Teoría Celular 1- La célula es la unidad fundamental de los organismos vivos 2- Todos los organismos vivos están compuestos por células. 3- Las células se originan de otras células preexistentes MatthiasSchleiden Theodor Schwann Rudolf Virchow 1838 1839 1855 24 Organización biológica de la célula animal Presenta 3 compartimentos fundamentales: Membrana, Citoplasma y Núcleo (presencia variable) Compartimento celular: Espacio, delimitado o no por membranas, donde se lleva a cabo una actividad necesaria o 25 importante para la célula. ATRIBUTOS BÁSICOS DE LAS CELULAS Las células son pequeñas porque deben intercambiar materiales con el entorno por difusión. Todas las células están rodeadas de una membrana plasmática que regula el intercambio de materiales entre la célula y el ambiente. Todas las células usan el ADN como plano genético y el ARN para dirigir la síntesis de proteínas a partir de este plano. 26 ATRIBUTOS BÁSICOS DE LAS CELULAS Todas las células obtienen los materiales para elaborar las moléculas de la vida y la energía para realizar la síntesis del entorno biótico y abiótico. Hay dos tipos fundamentalmente diferentes de células: procariontes y eucariontes. Las células procariontes son pequeñas y carecen de organelos envueltos en membranas. Las células eucariontes tienen varios organelos, incluyendo un núcleo. 27 Morfología Básica 28 Teoría de la Endosimbiosis Seriada Lynn Margulis 1967 29 EUCARIOTAS PROCARIOTA RIBOSOMAS FORMADOS POR DOS SUBUNIDADES DE 60S Y 40S CON UNA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION DE 80S FORMADOS POR DOS SUBUNIDADES DE 50S Y 30S CON UNA VELOCIDAD DE SEDIMENTACION DE 70S 30 EUCARIOTAS PROCARIOTA TAMAÑO DE 10 A 100 µM DE DIAMETRO DE 0,3 A 0,5 µM DE DIAMETRO 31 EUCARIOTAS PROCARIOTA MEMBRANA NUCLEAR Y CITOPLASMA NUCLEO PRESENTE RODEADO POR UNA MEMBRANA. NUCLEO AUSENTE NO HAY MEMBRANA. CITOPLASMA COMPLEJO CON UN SISTEMA DE MEMBRANAS . CITOPLASMA MAS SIMPLE SIN UN SISTEMA DE MEMBRANAS . EL METABOLISMO SE REALIZA EN DIFERENTES COMPARTIMIENTOS CELULARES EL METABOLISMO SE REALIZA POR COMPLEJOS ENZIMATICOS ASOCIADOS A LA MEMBRANA 32 EUCARIOTAS PROCARIOTA PARED CELULAR PRESENTE SOLO EN HONGOS Y PLANTAS PRESENTE EN LA MAYORIA DE LAS BACTERIAS 33 EUCARIOTAS PROCARIOTA CITOESQUELETO PRESENTE Y BASTANTE COMPLEJO AUSENTE AUNQUE RECIENTEMENTE SE HAN DESCUBIERTO ESTRUCTURAS ESPECIALES QUE PODRIAN ACTUAR COMO TAL 34 EUCARIOTAS PROCARIOTA NUMERO DE CELULAS FORMAN ORGANISMOS UNICELULARES Y MULTICELLULARES FORMAN ORGANISMOS UNICELULARES 35 EUCARIOTAS PROCARIOTA ESTRUCTURAS DE MEMBRANA POSEEN ORGANELAS NO POSEEN ORGANELAS 36 EUCARIOTAS PROCARIOTA DIVISION CELULAR MITOSIS Y MEIOSIS LA GRAN MAYORIA DIVISION POR FISION BINARIA 37 EUCARIOTAS PROCARIOTA ADN LINEAL EN EL NUCLEO ASOCIADO A PROTEINAS (HISTONAS) Y A FACTORES DE TRANSCRIPCION CIRCULAR EN EL CITOPLASMA (NUCLEOIDE)Y EN LOS PLASMIDOS NO ESTA ASOCIADO ASOCIADO A PROTEINAS NI FACTORES DE TRANSCRIPCION 38 EUCARIOTAS PROCARIOTA EJEMPLOS PROTISTAS ANIMALES PLANTAS HONGOS BACTERIAS CIANOBACTERIAS ARQUEOBACTERIAS 39 Que son los Plásmidos? Levadura eucariota Los plásmidos son moléculas de ADN extracromosómico generalmente circular que se replican y transmiten independientes del ADN cromosómico.Están presentes normalmente en bacterias, y en algunas ocasiones en organismos eucariotas como las levaduras. Célula animal 42 Membranas • Una célula es una unidad autónoma, relativamente independiente, rodeada por una membrana que regula el paso de sustancias hacia el interior y hacia el exterior. • La membrana celular , o plasmática, es esencial en la vida celular. No solamente define los límites de la célula, sino que además permite que la célula exista como una entidad diferente de su entorno. • Esta membrana regula el tránsito de sustancias hacia fuera y hacia adentro de la célula. En las células eucarióticas, además, define los compartimientos y organelas. • Las membranas del retículo endoplasmático, del complejo de Golgi, de las mitocondrias y de otros orgánulos delimitados por membrana mantienen las diferencias características entre los contenidos de cada orgánulo y el citosol. 43 MEMBRANA CELULAR Entre las funciones importantes de la membrana plasmática se encuentran: • Aislar el contenido de la célula del ambiente exterior • Regular la entrada y salida de materiales de la célula • Permitir la interacción con otras células y con el ambiente extracelular 44 Sistema de Membranas de la Célula El sistema de membranas de la célula comprende: la membrana plasmática, membrana nuclear, retículo endoplasmático, aparato de Golgi, lisosomas, vesículas y vacuolas, 45 El Núcleo 46 Nucleo en reposo y en división 47 Cultivos Celulares » El Cultivo celular involucra una serie de técnicas de laboratorio que permite manipular células tejidos y órganos » Descubrimiento como el de lo antibióticos y la tripsina ayudaron notablemente a su perfeccionamiento 48 Vista del Núcleo al ME 49 Características Generales del Núcleo 50 Características Generales del Núcleo Modificaciones de la apariencia del núcleo 51 El Núcleo: Partes fundamentales Nucleolo: Formación de subunidades ribosómicas Cromatina: Complejo de ADN y Proteínas Membrana nuclear: Sistema de doble membrana 52 El núcleo • Es el Centro de Control de la Célula Eucariota • El núcleo está rodeado por una membrana doble, la envoltura nuclear , cuya membrana externa es continua con el retículo endoplásmico. • Dentro de la envoltura nuclear se encuentran un nucléolo, que es el sitio donde se forman las subunidades de los ribosomas. • El núcleo tiene dos funciones fundamentales en la célula, portar la información genética , y asegurar que se sinteticen las moléculas complejas que requiere dicha célula. 53 EL NÚCLEOLO El nucleolo es el centro de ensamblaje de los ribosomas Los núcleos de las células eucariontes tienen por lo menos un nucleolo Corte de célula de mamífero, observada al microscopio electrónico. 54 El citoplasma • Es el contenido de una célula que se halla delimitado por la membrana plasmática y en el que se encuentran las organelas subcelulares. • En el citoplasma se pueden distinguir el citosol, las organelas y el citoesqueleto. • El citosol es una solución acuosa rica en proteínas, iones y otras moléculas. Las vesículas y las vacuolas, el retículo endoplasmático, el complejo de Golgi y los lisosomas son organelas que constituyen el sistema de endomembranas. Los ribosomas, los peroxisomas, las mitocondrias y los plástidos son otros tipos de organelas. 55 Retículo endoplasmático • Consiste en una red de sacos aplanados, tubos y canales interconectados. La cantidad de retículo endoplasmático aumenta o disminuye de acuerdo con la función y la actividad celular. • La membrana del RE se halla en continuidad estructural con la membrana externa de la envoltura nuclear y está especializada en la síntesis y el transporte de lípidos y proteínas de membrana. La membrana de RE contribuye de forma importante a la formación de las membranas de las mitocondrias y de los peroxisomas, ya que produce los lípidos de estos orgánulos. 56 RETICULO ENDOPLASMICO El retículo endoplasmático forma canales envueltos en membranas dentro del citoplasma RE LISO Retículo endoplasmático liso: No tiene ribosomas En algunas células el retículo endoplasmático liso elabora grandes cantidades de lípidos, como hormonas esteroideas hechas de colesterol. El retículo endoplasmático liso abunda también en las células del hígado, donde contiene enzimas que desintoxican productos nocivos como el alcohol y el amoniaco. Otras enzimas del retículo endoplasmático liso del hígado degradan el glucógeno en moléculas de glucosa que proporcionan energía. El retículo endoplasmático liso almacena calcio en todas las células, 58 RE RUGOSO Retículo endoplasmático rugoso: tiene ribosomas Son centros de síntesis de proteínas. Por ejemplo, las diversas proteínas de las membranas celulares Los ribosomas del retículo endoplasmático rugoso son también centros de elaboración de proteínas como las enzimas digestivas y las hormonas (por ejemplo, la insulina) Las proteínas sintetizadas para secreción externa o para usarse en otra parte del interior de la célula se mueven por los canales del retículo endoplasmático, donde son químicamente modificadas. Las proteínas se acumulan en las bolsas de la membrana que surgen como vesículas y pasan al aparato de Golgi 59 60 Aparato de Golgi • El complejo de Golgi interviene en la síntesis y empaquetamiento de moléculas, así como en el transporte de proteínas recién sintetizadas hacia el compartimento celular adecuado. 61 Aparato de Golgi Agrega carbohidratos a proteínas para hacer glucoproteínas. Degrada algunas proteínas en péptidos más pequeños. Sintetiza algunos polisacáridos usados en las paredes de las células vegetales, como celulosa y pectina. Separa varias proteínas y lípidos recibidos del retículo endoplasmático según su destino:. separa las enzimas digestivas, destinadas a los lisosomas, del colesterol usado en la síntesis de la membrana y de las proteínas con función de hormonas que secretará la célula. Empaca las moléculas terminadas en vesículas que transporta a otras partes de la célula o a la membrana plasmática para exportarlas. 62 Aparato de Golgi elaborando y exportando una proteína Fotografía electrónica de un corte de una célula de mamífero, mostrando el ap. de Golgi, que está compuesto por sáculos membranosos aplanados dispuestos en múltiples filas. Lisosomas Son vesículas relativamente grandes, formadas en el complejo de Golgi, contienen enzimas digestivas. Participan en la degradación de proteínas, polisacáridos, ácidos nucleicos y lípidos. Requieren un medio ácido. Los lisosomas tienen un pH interno cercano a 5. Las enzimas no destruyen la membrana de los lisosomas que las contienen. En los glóbulos blancos, intervienen en la digestión de bacterias. 64 Lisosomas Formación y función de lisosomas y vacuolas alimentarias Los lisosomas reconocen las vacuolas alimentarias y se fusionan con ellas. El contenido de las dos vacuolas se mezcla y las enzimas del lisosoma degradan los alimentos en moléculas pequeñas, como aminoácidos, monosacáridos y ácidos grasos que pueden usarse en la célula. Los lisosomas también digieren organelos gastados o defectuosos 65 Lisosomas: Estructura » Son pequeñas vesículas rodeadas de membrana » Contiene enzimas hidrolíticas (proteasas, nucleasas, lipasas, fosfatasas, etc.) 66 Lisosomas » Degradan macromoléculas y reciclan los componentes » Dentro de los lisosomas el pH es ácido (5), debido a una proteína de membrana que bombea protones H+ al interior 67 Tipos de Lisosomas 68 Lisosomas Primarios » Lisosoma primario: Contiene enzimas lisosomales sintetizadas por ribosomas unidos al RER y maduradas en Golgi 69 Lisosoma Secundario » También denominados heterofagosoma o vacuola digestiva Aparece después de la fagocitosis o pinocitosis Contiene el material ingerido dentro de una membrana Esta rodeado de lisosomas primarios que se fusionan con Él El material englobado es digerido progresivamente Se obtienen pequeñas moléculas que pueden ser incorporadas a las células 70 Cuerpo Residual Se forma cuando la digestión es incompleta Pueden ser eliminados de la célula o permanecer dentro de ella Pueden ser importante en el proceso de envejecimiento celular 71 Autofagosoma o vacuola autofagica Se forma en ciertas condiciones fisiológicas y patológicas El lisosoma engloba y digiere organelos (mitocondrias o porciones del RE) 72 Peroxisomas •Son vesículas limitadas por membrana que contienen enzimas oxidativas que participan en la degradación de los ácidos grasos y el peróxido de hidrógeno que se forma durante el proceso. •También degradan sustancias tóxicas como el etanol y son abundantes en las células hepáticas 73 La ruta de la energía en la célula Todas las células eucariotas tienen mitocondrias que captan la energía almacenada en la molécula de glucosa produciendo moléculas,energéticas de ATP. Las células vegetales (y algunos protistas) también tienen cloroplastos, que pueden captar la energía solar directamente 74 y almacenarla en moléculas de carbohidratos. Mitocondrias Son las centrales energéticas de todas las células eucariotas; utilizan la energía obtenida combinando oxígeno con moléculas nutritivas para producir ATP. 75 Membrana externa •Es lisa y está formada por la misma cantidad de fosfolípidos que de proteínas. •Contiene un gran número de proteínas especiales conocidas como porinas. •Las porinas son proteínas integradas en la membrana que permite el movimiento de las moléculas. •La membrana externa es permeable a nutrientes, iones y moléculas energéticas como el ATP y el ADP molecular. Membrana interna •La membrana interna de la mitocondria es una estructura más compleja •Se dobla en una serie de pliegues muchas veces, conocidos como crestas •Estos pliegues ayudan a incrementar las áreas de la superficie,•Las cresas y las proteínas de la membrana interna ayudan a la producción de moléculas ATP Varias reacciones químicas se realizan dentro de esta capa interna:RESPIRACION CELULAR Espacio intermembrana Es el espacio existente entre la membrana externa e interna, dentro de una mitocondria. Tiene la misma composición que el citoplasma de una célula. Matriz La matriz de la mitocondria es una mezcla compleja de proteínas y enzimas. Estas enzimas son importantes para la síntesis de las moléculas ATP, los ribosomas mitocondriales, el ADN y el ARN mitocondrial. En la matriz mitocondrial tienen lugar diversas rutas metabólicas clave para la vida, como el ciclo de Krebs y la beta-oxidación de los ácidos grasos también se oxidan los aminoácidos y se localizan algunas reacciones de la síntesis de urea y grupos hemos Reacciones de la matriz mitocondrial Se efectúan en dos etapas: Ø Formación de acetil coenzima A Ø Ciclo de Krebs 81 MITOCONDRIAS: producción de energía 82 Vacuolas Las vacuolas son vesículas limitadas por membrana cuyo funcion es distinta según el tipo de célula. Vacuolas alimentarias,formadas por Fagocitosis, y otras para procesos de autofagia FAGOCITOSIS AUTOFAGIA 83 Vacuolas Muchos protistas de agua dulce tienen vacuolas contráctiles que bombean el exceso de agua fuera de la célula. 84 Vacuolas En las plantas y hongos, que carecen de lisosomas, las vacuolas realizan hidrólisis 85 Citoesqueleto •Es una red de filamentos proteicos que se extienden a través del citoplasma, y organiza la estructura y motilidad celular. •Es una estructura dinámica, que cambia y se desplaza de acuerdo con las actividades de la célula. 86 Citoesqueleto •3 tipos de elementos MICROFILAMENTOS FILAMENTOS INTERMEDIOS MICROTUBULOS 87 FIBROBLASTOS CON LUZ FLUORESCENTE Microtúbulos Microfilamento Fil. Intermedio 88 MICROFILAMENTOS O FILAMENTOS DE ACTINA • ESTAN FORMADOS POR CADENAS DOBLES DE UNA PROTEÍNA (ACTINA) Y PUEDEN ESTAR RELACIONADOS CON OTRAS PROTEINAS • PARTICIPAN EN LA CONTRACCION DE MÚSCULOS, PERMITEN CAMBIAR LA FORMA DE LA CELULA ,PERMITEN MOVILIDAD DEL CITOPLASMA EN LA DIVISION CELULAR Y MOVIMIENTO INTERNO DE LOS CONTENIDOS CELULARES. • SE RELACIONAN CON FILAMENTOS DE MIOSINA PERMITIENDO EL MOVIMIENTO CELULAR. 89 Actina-Miosina Representan las proteínas contractiles características de las célula MOVIMIENTO MUSCULAR: LOS FILAMENTOS DE ACTINA Y MIOSINA SE DESPLAZAN IMPULSANDO A QUE LOS FILAMENTOS DE ACTINA SE APROXIMEN 90 Actina-Miosina Representan las proteinas contractiles características de las célula MOVIMIENTO AMEBOIDE: La interacción entre la actina y la miosina permite el movimiento del citoplama mas fluido del interior hacia un extremo 91 FILAMENTOS INTERMEDIOS • ESTAN FORMADOS POR PROTEINAS FIBROSAS ENRROLLADDAS UNAS ALREDEDOR DE LAS OTRAS Y UNIDAS EN GRUPOS DE 4 • LAS PROTEINAS QUE LAS FORMAN VARIAN SEGUN LA FUNCION Y EL GRUPO CELULAR • ESTABILIZAN LA ESTRUCTURA CELULAR Y AYUDAN A MANTENER SU FORMA • ALGUNOS FILAMENTOS INTERMEDIOS AYUDAN EN LA UNION DE CELULAS VECINAS Y OTROS SE RELACIONAN CON LA LAMINA NUCLEAR. • SOSTIENEN LA MEMBRANA PLASMATICA Y AFIANZAN VARIAS ORGANELAS 92 MICROTUBULOS • SON TUBOS FORMADOS POR ESPIRALES DE DOS PROTEINAS LLAMADAS TUBULINAS ALFA Y BETA • INTERVIENEN EN LA MOVILIDAD DE LOS CROMOSOMAS • LA INTERACCION DE MICROTUBULOS MANEJAN LA MOTILIDAD CELULAR • SON ADEMAS COMPONENTES FUNDAMENTALES DE LOS CENTRIOLOS, LOS CILIOS Y LOS FLAGELOS. 93 Centrosomas y Centríolos En las células animales, los microtúbulos crecen desde un centrosoma, una región que se encuentra a menudo cerca del núcleo y se considera una centro de organización de los microtúbulos. Los centríolos intervienen en la división celular 94 Superficie celular y sus especializaciones » Muchas células presentan cilios, Flagelos para movilidad Otras poseen movimientos ameboides debidos a la acción de los microfilamentos » Ademas las células pueden tener uniones complejas entre ellas para facilitar su adhesión y Microvellosidades en su superficie libre para absorción 95 Cilios y Flagelos LLos cilios y flagelos contienen un anillo externo de nueve pares de microtúbulos fusionados alrededor de un par central sin fusionar En la zona basal hay un pequeño cambio en la estructura 96 Movimiento en Cilios y Flagelos Los cilios suministran una fuerza paralela a la membrana plasmática. Los flagelosttienen un movimiento ondulatorio que suministra una propulsión continua y perpendicular a la membrana plasmática. 97 Microvellosidades Las microvellosidades son prolongaciones de la membrana plasmática con forma de dedo, que sirven para aumentar el contacto de la membrana plasmática con una superficie interna Mi al microscopio óptico 98 Uniones Intercelulares Tipos: 1) Oclusiva 2) Adherentes ▪ Banda de adhesión ▪ Desmosoma puntiforme ▪ Hemidesmosoma 3) Comunicante. 99 Uniones Intercelulares Complejos (tipos) de unión. Zónula de oclusión Zónula adherente Desmosoma Unión comunicante Hemidesmosoma 100 Uniones Intercelulares Oclusiva ✓ Cierran el espacio intercelular y evitan el pasaje de sustancias a través de dicho espacio. ✓ Situadas por debajo del borde apical de muchas células epiteliales. 101 Uniones Intercelulares Oclusiva Una proteína transmembranosa, la ocludina, es la que une fuertemente con su equivalente de una célula adyacente. Forman hileras de partículas en cada membrana, responsables del aspecto en bandas de sellado que obliteran el espacio intercelular. 102 Uniones Intercelulares Adherentes: Banda de adhesión (Zónulas adherentes) Forman una franja que une a las células adyacentes algo por debajo de la superficie epitelial, inmediatamente después de las uniones oclusivas. 103 Uniones Intercelulares Adherentes: Desmosoma puntiforme (=Macula Adherente) El número de desmosomas se halla en relación con el grado de tensión mecánica a que esta sujeto un tejido. Son áreas focales circulares de adhesión de aprox. 0.5µm diámetro. 104 Desmoglea Uniones Intercelulares Adherentes: Desmosoma puntiforme Desmoplaquina y placoglobinas Desmogleína Desmocolina Plectina Las moleculas de adhesión celular: cadherinas: Las proteínas de placa: placoglobina. La plectina ancla con filamentos intermedios (queratina). 105 Uniones Intercelulares Adherentes: Desmosoma puntiforme La desmogleína 1 y 3 son polipéptido y se localiza en todos los desmosomas de todos los tipos celulares. Los pacientes afectados de pénfigo http://www.iqb.es/dermatologia/atlas/penfigovulgar/ penfigo10.jpg foliáceo y vulgar poseen autoanticuerpos dirigidos contra estas desmogleínas. 106 http://clinicascatedrauno.com.ar/imagenes/espalda/ espalda-1133 Uniones Intercelulares Adherentes Hemidesmosoma Adhieren las células epiteliales a la lámina basal. Las moléculas de adhesión ceular: Integrinas. 107 Uniones Intercelulares Comunicante Son las que permiten la interconexión celular. Acoplan funcionalmente a las células. La mayoría de las células están interconectadas por canales de unión y comparten pequeños metabólitos y iones, los cuales pueden pasar libremente de una célula a otra. 108 Uniones Intercelulares Comunicante El espacio intercelular esta franqueado por una gran cantidad de proteínas túnel; cuyos canales (poros) hidrófilos conectan con las células contiguas. El complejo proteico del túnel de conexión recibe el nombre de conexones. 109